[发明专利]一种高熵合金表面渗碳改性的方法

说明书

本发明公开了一种高熵合金表面渗碳改性的方法，该方法包括（1）对HfZrTiTa高熵合金进行预处理；（2）选用活性炭作为渗碳剂，将渗碳剂自然装填在渗碳容器中，并将预处理后的HfZrTiTa高熵合金埋入渗碳剂的中上部；（3）将渗碳容器进行密封；（4）将密封后的渗碳容器置于加热装置中，先升温至700℃～900℃，然后保温2h～10h，处理结束后，将渗碳容器取出空冷，然后取出渗碳处理后的样品进行超声清洗和烘干，得到表面渗碳改性的高熵合金。本发明的方法可同时有效提高HfZrTiTa高熵合金的表面硬度、改善其高温抗氧化性能。

技术领域

本发明属于涂层制备领域，涉及多主元高熵合金材料领域，特别涉及高熵合金表面渗碳改性的方法。

背景技术

高熵合金是指包含5～13种的合金元素，每种元素含量在5%到35%之间，能够形成高熵固溶体的新型合金。高熵合金中没有含量超过50%的合金元素，整个合金体系中没有主要元素和次要元素的区别。研究发现，高熵合金体系体现出一种多元集体效应，具有高强度、高硬度、高耐磨性等特性。由于各种金属元素特殊的组合形式，高熵合金呈现四大效应：（1）高熵效应，合金将形成简单的固溶体，而不是传统认为的复杂的金属间化合物。（2）晶格畸变效应，由于元素间原子半径的差异，导致晶格畸变，影响合金的物理、化学性能；导致固溶强化，影响合金的导电性、磁性、导热性等。（3）扩散迟滞效应，多种元素间的协同扩散十分困难，而且严重的晶格畸变将减缓元素的扩散速率，故高温时相的分离很缓慢，甚至被抑制而延迟到低温。铸造时冷却速率很大时，原子这种缓慢扩散将抑制晶核的形成，合金将形成非晶质。（4）鸡尾酒效应，合金包含有多种元素，各种元素之间相互作用，兼备了各种元素的基本特性，又淘汰了各自的缺点，呈现出一种复合效应。利用高熵合金制备的涂层，具有高强度、高硬度、耐高温性、高耐磨性、高抗氧化性等特性，能延长机械零部件的使用寿命。

多主元高熵合金因其“多元高乱度”的高熵与晶格畸变特点，具有高强高硬、耐磨损耐腐蚀和良好的高温热稳定性等特点，可广泛应用于高强度、耐高温、耐摩擦磨损与腐蚀的机械零部件，如：制备粉末冶金高强高硬模具、刀具材料，亦可用于去毛刺机锤刀、矿山机械等易磨损机件的制备或表面涂层处理；因其具有良好的耐高温、耐腐蚀等性能，有望取代镍基超合金成为下一代高温合金材料，可用于制备粉末冶金耐高温硫酸盐腐蚀的各种燃油、燃煤的动力装置材料，如航空燃气涡轮机、航海燃气涡轮机的压气机叶片、进气机匣、系统附件壳体等，以及耐高温碳酸盐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池材料，如电池阳极、双极板等典型零件。但其高温抗氧化性能一直制约着该材料的进一步发展。

大部分研究者通过改变高熵合金各组元配比或额外引入另一种组分的方法对现有的高熵合金材料进行改性，常用的添加元素有Al、V、Cu、Mn等。但评价及考核手段仅局限于微观组织结构以及强度、韧性、硬度等力学性能，很少有研究者对高熵合金材料的高温性能，尤其是高温抗氧化性能进行研究，并且大部分研究着眼于整体合金化改性而非对涂层或合金进行表面改性处理。

贵州大学材料与冶金学院的周芳等人通过引入Si、Al对MoFeCrTiW高熵合金涂层进行整体合金化改性，研究发现Si的加入可以提高高熵合金的耐磨性能，而Al的加入则会降低。该研究也涉及了材料的高温抗氧化性能，但其氧化考核的条件为800℃氧化40h，该考核温度与将高熵合金材料用于高温合金材料的期望还有较大差距。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可有效提高HfZrTiTa高熵合金的表面硬度、改善其高温抗氧化性能的高熵合金表面渗碳改性的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种高熵合金表面渗碳改性的方法，包括以下步骤：

（1）对HfZrTiTa高熵合金进行预处理，使HfZrTiTa高熵合金表面清洁平整；

（2）选用活性炭作为渗碳剂，将渗碳剂自然装填在渗碳容器中，然后将预处理后的HfZrTiTa高熵合金埋于渗碳剂的中上部；